Antibiotikumok I. Az antibiotikumok az élő szervezetek elsősorban mikroorganizmusok által termelt úgynevezett másodlagos anyagcseretermékek (szekunder metabolitok) legfontosabb csoportja. Ökológiai szerepük, képződésük oka, célja nem teljesen tisztázott. Egyes nézetek szerint a termelő szervezetek biológiai védekezésének részét képezik, mások szerint az antibakteriális hatás és antibiotikum termelés csak véletlenszerűen kapcsolódik egyes mikroorganizmusokhoz. Waksman (1945): streptomycin és számos egyéb antibiotikum felfedezője (aktiomycin, neomycin). Definíciója: antibiotikum, vagy antibiotikus hatású anyag az amelyet valamilyen mikroorganizmus termel és azzal a képességgel rendelkezik, hogy mikroorganizmusok szaporodását képes gátolni illetve el is pusztítja azokat. Selman Abraham Waksman 1888-1973 Baron szerint: antibiotikumnak tekinthető egy olyan anyag: Valamilyen élőlény (alacsonyabb és magasabb rendű) anyagcsereterméke Biokémiai mechanizmuson keresztül gátolja egy vagy több mikroorganizmus szaporodását Alacsony koncentrációban is hatásos Magasabb rendű növényekre vagy állatokra terápiás szinten nem vagy alig hat. Antibiotikum nem azonos a kemoterápiás szerekkel. Ez utóbbiak a teljesen mesterségesen előállított hatóanyagok, míg az antibiotikum elnevezést célszerű a természetes eredetű vegyületekre fenntartani, jóllehet a félszintetikus és a teljesen szintetikus antibiotikumok megjelenésével egyre nagyobb az összemosódás. 316
Az antibiotikumok csoportosítása 1. Előállítási módjuk alapján: Bioszintetikus úton nyert antibiotikumok (fermentációval) Félszintetikus antibiotikumok Szintetikus antibiotikumok 2. Hatásuk alapján: Major (nagy) antibiotikumok: ezeket szokás széles spektrumú antibiotikumoknak is nevezni, mert sokféle mikroorganizmusra hatnak. Pl: Penicillinek; Streptomicin; Chloramphenicol; Tetraciklinek Minor (kicsi) antibiotikumok: szűk spektrumú antibiotikumok, kis számú mikroorganizmusra hatnak. Pl: Erythromycin; Novobiocin; Vancomycin Baktérium-, gomba-, rák- vírusellenes szerek Gyógyászati, mezőgazdasági vagy egyéb céllal előállított vegyületek. Baktericidek/bakteriosztatikus vegyületek 3. Hatásmechanizmusuk alapján: Nukleinsavszintézis-gátlók: szulfonamidok; trimethoprim, kinolinok. Sejtfalszintézis-gátlók: penicillinek, cefalosporinok, vancomycin. Fehérjeszintézis-gátlók: aminoglikozidok, tetraciklinek. 4. Szerkezetük alapján: szénhidrát vázas antibiotikumok (aminoglikozidok, linkozaminidek, vankomicinek) makrociklusos lakton/laktám vázas antibiotikumok ( makrolidok, poliének, anzamicinek) kinonvázas antibiotikumok ( antraciklinek, tetraciklinek) aminosav, peptid, polipeptid antibiotikumok (laktámok, bactoracin, graminicidin, polimixin) nitrogén tartalmú antibiotikumok (nukleozid antibiotikumok) aliciklusos antibiotikumok (fusidinsav) aromás antibiotikumok (klóramfenikol) alifás antibiotikumok (foszfonomicin) oxigéntartalmú heterociklusok (poliéterek) 317
A penicillinek felfedezése Alexander Fleming 1881-1955 Fleming 1928-ban a londoni St. Mary kórházban vette észre, hogy a Staphylococcus tenyészetébe került kékes-zöldes penész szennyeződés körül a baktériumok nem növekednek. Fleming arra a következtetésre jutott, hogy a penész olyan anyagot bocsát ki, mely gátolja a baktériumok növekedését, és elpusztítja a baktériumokat. A penészt tiszta kultúrában is kitenyésztette, és felfedezte, hogy a Penicillium családba tartozó fajról van szó, melyet ma Penicillium notatum fajként ismerünk. A baktériumokat különböző festési eljárásokkal szembeni viselkedés alapján is szokták csoportosítani. Az egyik ilyen eljárás a Gram-festés, melyet 1884-ben Hans Christian Gram fejlesztett ki. Ez a módszer a baktériumokat a sejtfal strukturális sajátosságai alapján különíti el. A festés során kristályibolya (vagy genciánaibolya)-festékkel festik meg a baktériumkészítményt, majd etanollal mosási próbát végeznek. Gram-pozitív baktériumok esetén a festék a sejtfalból nem mosható ki, míg a Gram-negatív baktériumoknál igen. A Gram-negatív baktériumok láthatóvá tétele érdekében további fukszinos festést alkalmaznak. A Gram-pozitív baktériumok vastag peptidoglikán sejtfala lilának látszik, míg a Gram-negatív fajok sejtfala rózsaszínű lesz a festés után. Penicillium notatum 318
A b-laktám antibiotikumok csoportosítása, hatásmechanizmusa és bioszintézise Hatásmechanizmusa: A β-laktám antibiotikumok a baktériumok sejtfalában a peptidoglikánok közötti keresztkötések kialakulását gátolják. A penicillin β-laktám része ahhoz a transzpeptidáz enzimhez kötődik, mely a baktérium peptidoglikán molekuláit kötné össze. Az enzim így nem tud megfelelően működni és a baktárium sejtfala osztódás során meggyengül (másképp fogalmazva az antibiotikum citolízist, sejtpusztulást eredményez, mikor a baktérium megpróbál osztódni). Ezen felül a felhalmozódott peptidoglikán prekurzorok a baktériumban aktiválják a sejtfal hidrolázok működését, amelyek tovább rombolják a baktérium meglevő peptidoglikánját. 319
Természetes penicillinek A kutatások során felfedezték, hogy a fermentációhoz használt Penicillium chrysogenum táptalajához adagolt karbonsavakkal befolyásolni lehet a bioszintézis irányát és hozamát. Ezeket az anyagokat prekurzoroknak nevezzük, és a gombák nem bontják le őket, hanem változtatás nélkül beépítik. A tapasztalat szerint azonban csak apoláros oldalláncot tartalmazó karbonsavakat alkalmaz-hatunk prekurzorként. F G X K O V Igen nagy gond, hogy a baktériumok rezisztenciájának kifejlődése következtében a természetes penicillinek alkalmazhatósága erőteljesen korlátozódott. Amíg 1941-ben a Staphylococcus törzseknek csak 1%, 1946-ban 14%-a, addig napjainkban már több mint 80%-a penicillinrerzisztens. További probléma volt, hogy ezek a származékok meglehetősen szűk hatásspektrumuak voltak, túlnyomóan csak a Gram-negatív baktériumokkal szemben voltak hatásosak voltak. Problémát jelentett az allergizáló hatás, amit antihisztaminokkal sem sikerült kiküszöbölni. Megoldás új, félszintetikus penicillinekre van szükség! 320
Félszintetikus penicillinek A variálható oldallánc módosításai a természetes penicillinekhez képest növelik az orális biohasznosultságot, ellenállóbbá teszik a molekulát a β-laktamáz enzim ellen, és növelik az antimikróbás hatásspektrumot. A félszintetikus penicillinszármazékokat úgy hozzák létre, hogy fermentációval az oldalláncmentes 6-amino-penicillánsavat termelik, és ehhez csatolják a variábilis oldalláncokat. Rezisztens staphylococcusok törzsek ellen használják. A gyógyszernek kisebb az antibakteriális hatása, mint a G-penicillinnek, de a mellékhatása is. Direkt Gram-negatív korokozók ellen fejlesztették ki, de Grampozitívak ellen, Acinetobacter fajok, és Pseudomonas aeruginosa ellen nem hatásos. Multirezisztens Gram-negatív korokozók ellen hasznos gyógyszer a klinikumban. 321
Penicillin rezisztencia Az elmúlt évtizedekben egyre több, korábban ampicillin, amoxacillin-érzékeny Gram-negatív baktériumról (H. influenzae, E. coli, Shigella, Salmonella törzsek) mutatták ki, hogy b-laktamáz enzimet termelnek, melyek inaktiválják az antibiotikumokat. A penicillinek kombinálhatók β-laktám inhibitorokkal, amelyek megvédik a hatásos gyógyszermolekulákat a bontó enzimtől, és így a szer β-laktám termelő organizmusok ellen is hatásos lesz. Tág hatásspektrummal rendelkeznek, az elsődlegesen választandó szerek közé tartóznak. amoxacillin + klavulánsav b-laktamáz gátlók 322
323
Tetraciklin antibiotikumok A penicillin után legismertebb antibiotikumok. A tetraciklint a Streptomyces aurofciens, majd a klórtetraciklint Str. viridifaciens kultúrájából izolálták. Három különböző tetraciklint ismerünk: tetraciklin (TC), oxitetraciklin (OTC), 7-klórtetraciklin (CTC). Félszintetikus származékai közül igen népszerű a doxiciklin. Széles spektrumú fehérjeszintézis inhibítor (a riboszóma 70S alegységéhez kötődve) antibiotikumok, jól hatnak a Gram pozitív és Gram negatív baktériumok, rickettsiák, mikoplazmák, leptospirák és spirochéták ellen A tetraciklinek a legrégebbi, kifejezetten széles spektrumú antibiotikumok közé tartoznak, amelyek közül csak néhány származék maradt meg a klinikai gyakorlatban. A korai, gyorsan eliminálódó, csak vesén keresztül ürülő és vesekárosodás esetén kumulálódó származékok, mint a tetraciklin vagy oxitetraciklin itthon már nincsenek forgalomban. A későbbi származékok, köztük a doxyciclin ma is kiterjedten használt antibiotikum, de indikációs területe az eredeteihez képest jelentősen megváltozott. A tetraciklinek korábban igen hatékonyak voltak a Gram-pozitívok közül a staphylococcusok, streptococcusok ellen, ma ezen törzsek 30-40%-a rezisztens. A Gram-negatívok közül az E.coli, Klebsiella spp, Enterobacter spp-k 30%-a, a Proteus mirabilis több mint 90%-a rezisztens. A H.influenzae viszonylag érzékeny maradt (6% rezisztens). 324
Aminoglikozid antibiotikumok Az aminoglikozidok az egyik legrégibb antibiotikum családot alkotják. Az első képviselőjüket a sztreptomicint Waksman izolálta 1944-ban. A legjelentősebbek és a legismertebbek a sztreptomicin, gentamicin, tobramicin. Hatásspektrumuk széles, elsősorban Gram-negatív baktériumok ellen használatosak, Gram-pozitívok ellen is hatnak. Gram-negatív erős fertőzés esetén a cefalosporinok mellett ezek az antibiotikumok jelentik a megfelelő hatásos anyagokat. Elsősorban tuberkulumok, mellékhatásaik miatt (vese és fülkárosító toxinok), valamint plazmidon hordott rezisztencia átadó képességük miatt használatuk korlátozott. Baktérium ellenes hatásuk különleges: az arra érzékeny baktériumok fehérjeszintézisét gátolja, ahol a riboszómákon a fehérje molekula szekvencia leolvasásában hibákat okoz, ezért leállítja a fehérjemolekulák szintézisét. Az aminoglükozid antibiotikumok túlnyomó részét a Streptomyces kisebb mértékben Micromonospora fajok termelik közvetlen vagy irányított fermentációval. Általában izomerek és/vagy közeli homológok alkotta komplex keveréket termelnek, nem ritka 10-15 sőt 30-40 különböző minorkomponens izolálása sem a fermentléből. 325
Makrolid-antibiotikumok A makrolidek közül az erythromycin jelent meg elsőnek 1952-ben, de két évtizeden keresztül csak a penicillin alternatívája volt penicillin allergiás betegek kezelésében. A makrolidek kiterjedt alkalmazása és igazi fejlődése a 70-es évek második felére tehető, mikor kiderült, hogy a leghatékonyabb antibiotikum az akkor felismert legionellosis kezelésében és realizálták az ún. atípusos kórokozók (mycoplasmák, chlamydiák) klinikai jelentőségét. A makrolideket a laktongyűrűben levô szénatomok száma szerint 14, 15, 16 szénatom számú származékokra osztjuk. Az azithromycinben nitrogén helyettesít egy szénatomot, ezzel alcsoportot, az azalideket képezve. A makrolidek a baktérium fehérjeszintézisét gátolják. A makrolidekkel szemben számos rezisztencia mechanizmus alakult ki, melyek többsége keresztrezisztenciát okoz - a baktérium klinikailag az összes makrolid származékkal szemben rezisztenssé válik. 326
Ciklusos peptid antibiotikumok A ciklosporin egy immunszupresszáns gyógyszer, amelyet főleg transzplantációban a beültetett szerv kilöködésének megakadályozására alkalmaznak. Ezen kívül jól alkalmazható különböző autoimmun betegségek terápiájában is. Kémiailag egy 11aminosavból álló peptid, a talajban lévő Tolypocladium inflatum Gams nevű gomba termeli. Felépítésében nem kizárólag fehérjéket felépítő aminosavak vesznek részt Cyclosporin A
Glikopeptid antibiotikumok Bleomycin Streptomyces verticillus-ból izolált glikopeptid antibiotikum, amelyet rák ellenes hatása miatt alkalmaznak. A Bleomycin-nek DNS-hasító hatása van, mind az egyszállú, mind a kétszállú DNS hasadását okozza. Bleomycin 328
Vancomycin az utolsó védvonal a methicillin rezistens Staphylococcus aureus (MRSA) ellen. Hatással van a Gram-pozitív bacteriumok ellen, mint például a rezisztens staphylococci, streptococci, és enterococci fajok. A készítmény a szív belső borítását és a szívbillentyűket, a tüdőt, a csontokat, illetve a lágyszöveteket érintő különböző súlyos fertőzések esetén alkalmazható. A készítmény adható még néhány sebészeti beavatkozás előtt a fertőzések megelőzésére is. Vancomycin
Polién makrolidok Streptomyces törzsek anyagcseretermékeiből gombás fertőzések kezelésére alkalmas vegyületeket is izoláltak. Amphotericin egy gomba ellenes vegyület, amely azonban nem található meg a belekben. Szisztémás gombás fertőzések esetén alkalmazzák. Életveszélyes gombás fertőzések esetén intravénásan alkalmazzák. Amphotericin 330
331
Számos szulfonamid ismert, ebbôl ismertetünk néhányat általános képletükkel együtt (fent jobbra). Ezek a vegyületek a baktériumok folsavszintéziséhez nélkülözhetetlen a p-amino-benzoesav szerkezeti analógjai (fent balra). A szulfonamidok szelektív toxicitása azon a tényen alapszik, hogy az emlôssejtek a táplálékban folátot vesznek fel, míg az érzékeny baktériumok nem képesek erre, és a folsavat maguk szintetizálják. A szulfonamidok kompetitíve gátolják a dihidropteroátszintetázt ( ), és ezzel megakadályozzák a DNS szintéziséhez szükséges folát képzôdését. A szulfonamidok bakteriosztatikus hatású szerek. Leglényegesebb mellékhatásaik a (gyakori) bôrkiütések, veseelégtelen-ség és különbözô 332 vérdyscrasiák.
333
A penicillinek (fent balra) és cefalosporinok (fent jobbra) szerkezetének közös jellemzôje a ß-laktám gyûrû (B), amelynek épsége nélkülözhetetlen az antibakteriális aktivitáshoz. Az R 1 és R 2 csoportok módosítása számos félszintetikus, közülük néhány savrezisztens (és orálisan aktív) antibiotikumot eredményezett, amelyek szélesspektrumú antibakteriális aktivitással rendelkeznek, vagy rezisztensek a bakteriális β-laktamázra. A penicillinek (balra) a legfontosabb antibiotikumok *, míg a cefalosporinok (jobbra) néhány specifikus indikációs területtel rendelkeznek. A β-laktám-gyûrûs antibiotikumok baktericid hatásúak. Antibakteriális hatásukat a lineáris peptidoglikán polimerláncok közötti keresztkötések kialakulásának gátlása révén fejtik ki, amelyek a sejtfalat építik fel, pl. pentaglicin híd révén ( ). E hatás annak köszönhetô, hogy szerkezetük egy részeésze ( ) hasonlít a baktérium sejtfal peptidláncának D-alanil-D-alanin részéhez. 334
335
Az antibiotikumok ezen csoportja a baktérium fehérjeszintézisének gátlása révén hat. A vegyületek szelektíven toxikusak a baktériumokra, mivel a bakteriális ribosomák (ahol a fehérjeszintézis történik) egy 50S és 30S alegységbôl állnak, míg az emlôsök ribosomái egy 60S és 40S alegységbôl. A fehérjék aminosavakból épülnek fel a ribosomákon. A ribosomák a messenger-ribonukleinsav lánc (mrns) mentén mozognak elôre (1-2-3) úgy, hogy az egymást követô a specifikus transfer-rns- (trns-) molekulák számára kötôhelyet biztosító akceptoron haladnak keresztül. A fehérjelánc meghosszabbításához szükséges következô aminosavat a trns-ek hordozzák. A Tetraciklinek (fent jobbra) és az aminoglikozidok (balra lent) a ribosoma 30S-alegységéhez kapcsolódnak és az amino-acil-trns kötôdését gátolják. Az aminoglikozidok emellett hibás mrns olvasást eredményeznek, amely mûködésképtelen fehérjék szintéziséhez vezet. A fehérjeszintézis következô lépése a transzpeptidáció (2), amelyben a növekvô peptidlánc hozzákötôdik a P- kötôhelyhez, majd átkerül az A-kötôhelyen lévô amino acil-trns-hez kötött aminosavhoz A chloramphenicol a ribosoma 50S alegységének peptidil-transzferáz aktivitását gátolja. A transzpeptidációt követôen a peptidlánc az A-kötôhelyrôl a P-kötôhelyre (3) transzlokálódik, így az A- kötôhely alkalmassá válik a következô amino-acil-trns fogadására. A makrolidek (lent jobbra) a ribosoma 50S alegységéhez kötôdve a transzlokációt gátolják. 336